prakiraan laju alir massa pada model...

Prakiraan Laju Alir Massa pada Model FungsionalSistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR

Priyanto Joyosukarto

PRAKIRAAN LAJU ALiR MASSA PADA MODEL FUNGSIONALSISTEM PENDINGINAN RELUNG REAKTOR (RCCS) MHTGR

Oleh: Priyanto Joyosukarto j

Abstrak

PRAKIRAAN LAJU ALiR MASSA PADA MODEL FUNGSIONAL SISTEMPENDINGINAN RELUNG REAKTOR (RCCS) MHTGR. Prakiraan laju alir massa udaramasukan telah dilakukan untuk sistem pendinginan dengan konveksi udara secara alamiberupa peralatan eksperimen NADHRS. Sistem ini merupakan model fungsional sederhana dariReactor Cavity Cooling System (RCCS) MHTGR (Modular High Temparature Gas-cooledReactor), buatan General Atomic, yang komponen utamanya terdiri dari bagian masukan,plenum-bawah, plenum-atas, sumber panas, kanal pendinginan annular, dan sepasang stack dibagian atasnya. Pada sistem jenis ini, tersedianya laju alir massa udara masukan (mO) yangcukup merupakan faktor keselamatan yang krusial. Beberapa faktor penentu besarnya moadalah: fluk panas, konfigurasi dan dimensi sistem, sifat permukaan dinding kanal, laju danarah angin, serta sumbatan penampang aliran. Prakiraan mo dilakukan pada kondisipenampang aliran tersumbat sebagian dan didasarkan pada penyelesaian persamaankeseimbangan momentum aliran gas di dalam kanal berdimensi satu yang dipanasi. Prakiraandilakukan pada kondisi input listrik 3 x 100 Watt dengan tiga macam harga hambatan keluaran(Ke), masing-masing dengan sebelas macam harga hambatan masukan (~eV. Besarnyahambatan mencerminkan tingkat sumbatan aliran. Hasil studi menyimpulkan bahwa sembarangsumbatan akan meningkatkan hambatan aliran, yang selanjutnya menurunkan mo. PadaKe=1,10 perubahan ~ef dari 2,00 menjadi 1114,60 (sumbatan 96,67%) telah menurunkan modari 8,50x10-3 kg/detik menjadi 1 ,35x1 0.3 kg/detik. Perubahan yang sarna dari ~ef telahmenurunkan mo masing-masing dari 7 ,29x1 0-3 kg/detik menjadi 1 ,35x1 0-3 kg/detik pada Ke=6,20dan 6,11 x1 0-3 kg/detik menjadi 1 ,35x1 0-3 kg/detik pada Ke=15,00. Hasil studi ini dapat menjadiacuan yang berguna di tengah kelangkaan literatur sejenis untuk desain sistem pendinginandengan konveksi udara secara ala mi.

Abstract

PREDICTION OF THE AIR INLET MASS FLOW IN THE MHTGR RCCSFUNCTIONAL MODEL. A mass flow prediction has been carried out for the air naturalconvection cooling system. The system, which is referred to as NADHRS experimentalapparatus, is a simple functional model of the General Atomic's MHTGR RCCS, equipped withinlet channel, lower and upper plenum, heat source, annular cooling channel, and a twin stacksat the upper part. In such a cooling system. the sufficiency of inlet air mass flow rate (mo) is acrucial factor in view of safety. The factors determining mo are heat flux, system dimension andconfiguration, channel surface characteristic, air velocity and direction, as well as flow blockage.The mass flow prediction is carried out for the partly-blocked flow and was based on the solutionof the momentum balance of air flowing inside the heated channel. The prediction of mo wascarried out at the electric input of 3 x 100 Watt with three values of outlet flow resistance (Ke),each with eleven values of inlet resistance (Kef), in which each value of K reflects a certainlevel of blockage. It was found that any flow blockage tends to increase the flow resistancewhich in turn decreases mo. At Ke=1.10, changes in Kef value from 2.00 to 1114.60 (96,67%blockage) decreases mo from 8,50x10-3 kg/s to 1,35x10-3 kg/so The equal changes of Kef alsodecreases mo from 7 ,29x1 0-3 kg/s to 1,35x10.3 kg/s at Ke=6,20, and from 6,11 x1 0.3 kg/s to1 ,35x1 0.3 kg/s at Ke=15,OO. In the scarcity of relevant reference, the result of this study mightbecome a valuable one applicable to the design of air natural convection cooling system.

') Bidang Parlisipasi Industri Nasional P2EN -BA TAN

"""7

Jumal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 2. No.3 September 2000.. 117 -134

I. PENDAHULUAN

Untuk menjawab tuntutan masyarakat pada era paska kecelakaan TMI-II tahun 1979,

beberapa pabrik PL TN telah menghasilkan rancangan (desain) Reaktor Maju (advanced

reactor), baik dalam kategori desain evolusioner maupun inovatif untuk digelarkan pada awal

milenium ketiga ini. Desain baru ini dicirikan oleh diaplikasikannya konsep pasif untuk sistem

keselamatan reaktor, khususnya untuk kelancaran pembuangan panas luruh (decay heat) dan

panas sisa (residual heat) dari teras reaktor. Sistem keselamatan pasif ini mendayagunakan

tenaga-tenaga dasar alam sebagai tenaga penggerak bekerjanya sistem, yang meliputi

evaporasi, gravitasi, konveksi, konduksi, dan radiasi untuk menjamin kelancaran dan keandalan

proses pembuangan panas sekaligus untuk menyederhanakan desain keseluruhan sistem.

Reactor Cavity Cooling System (RCCS) merupakan salah satu contoh sistem

keselamatan pasif, yang sa at ini tengah dikembangkan oleh General Atomic Technology

sebagai sistem pembuangan panas luruh dan panas sisa dari teras Modular High Temparature

Gas-cooled Reactor (MHTGR) 450 MWt ke atmosfer yang bertindak sebagai pembenam panas

akhir (Ultimate Heat Sink, UHS) 1). Jenis reaktor yang termasuk kategori Reaktor Maju ini

disebut juga sebagai Modular Helium Reactor (MHR) dan saat ini tengah dalam tahap

pengembangan untuk menghasilkan uap/panas dan listrik untuk berbagai macam aplikasi 2).

Desain RCCS mendayagunakan ketiga mode perpindahan panas, yaitu radiasi, konduksi, dan

konveksi dengan fluida kerja udara untuk membuang panas luruh dan panas sisa dari teras

reaktor, dengan diperkuat oleh struktur menyerupai dua buah stack pada bagian atasnya yang

berfungsi pembangkit efek stack3.4).

Pemanfaatan kombinasi tiga mekanisme pasif perpindahan panas yang diperkuat

dengan efek stack seperti pada RCCS ini masih relatif baru sehingga masih banyak masalah

yang perlu diteliti agar diperoleh kepastian yang tinggi untuk menjamin keandalan dan

ketersediaan sistem. Salah satu masalah yang cukup krusial adalah bagaimana menjamin

tersedianya laju alir massa (mass flow rate) udara yang cukup untuk efektivitas pendinginan

sistem pad a segala kondisi operasi, khususnya pad a kondisi kecelakaan. Beberapa faktor

internal sistem yang menentukan besarnya laju alir massa udara antara lain adalah fluk panas,

dimensi dan konfigurasi sistem, serta sifat permukaan dinding aliran. Sedangkan faktor

ekstemal yang berpengaruh antara lain kemungkinan sumbatan aliran (flow blockage) serta

laju dan arah angin. Faktor internal bersifat relatif tetap dan relatif lebih mudah diperkirakan,

namun tidak demikian halnya dengan faktor eksternal yang sangat tergantung kepada kondisi

lingkungan. Untuk sifat dan arah angin mungkin bisa diperkirakan dengan tingkat kepastian

yang tinggi, tetapi tidak demikian halnya dengan kemungkinan sumbatan aliran yang mungkin

tidak jelas pola terjadinya. Sumbatan penampang aliran masukan dan keluaran ini dapat

diakibatkan antara lain oleh debu, misil, dan serangga, atau benda terbang lain yang

kesemuanya relatif sulit untuk memperkirakannya. Meskipun begitu, kemungkinan kegagalan

118



fungsi

desain.

RCCS akibat sumbatan aliran perlu diperkirakan untuk diakomodasikan ke dalam

Pad a makalah berikut, yang merupakan bagian pertama dari serial hasil studi tentang

sistem keselamatan pasif Reaktor Maju, akan dibahas hasil prakiraan laju alir massa udara

di dalam sistem pendinginan dengan konveksi udara secara alami, yaitu berupa peralatan

eksperimen NADHRS (Natural Air Draft Decay Heat Removal System) yang merupakan model

fungsional sederhana dari RCCS MHTGR. Eksperimen NADHRS ini dilakukan Penulis pada

saat mengikuti Program Research Student dan Program Master di Universitas Tokai, Jepang

beberapa waktu yang lalu. Prakiraan dilakukan pada kondisi sistem dengan input listrik 3 x 100

Watt, dan pada kondisi aliran dengan berbagai tingkat sumbatan penampang masukan dan

penampang keluaran. Pembahasan diawali dengan deskripsi sistem NADHRS, dilanjutkan

dengan pengembangan pendekatan teoritis terhadap mekanisme konveksi alami udara di

dalam sistem NADHRS, prakiraan perubahan hambatan aliran akibat sumbatan, prakiraan

perubahan laju alir massa udara akibat sumbatan, dan diakhiri dengan kesimpulan.

II. DESKRIPSI SISTEM NADHRS

Pad a Gambar 1 ditunjukkan konsep dasar pembuangan panas dari teras MHTGR,

sedangkan pad a Gambar 2 ditunjukkan konfigurasi RCCS. RCCS merupakan sistem

pendinginan udara secara konveksi alami yang didesain untuk memindahkan panas dari relung

(cavity) reaktor ke atmosfir dengan fluida kerja udara. Komponen utama RCCS meliputi: kanal

pendinginan, panel pendinginan, plenum atas dan plenum bawah, serta struktur yang

menyerupai stack (chimney) di bagian atasnya yang berfungsi sebagai pembangkit efek stack

dan sekaligus bertindak sebagai bagian masukan dan bagian keluaran udara. Aliran udara

masuk RCCS semata-mata dipicu oleh meningkatnya suhu panel pendingin sebagai akibat

menerima panas dari bejana reaktor.

Gambar 2. Konfigurasi RCCS 4)Gambar 1. Konsep dasar pemindahan panas

pada RCCS 1)

119

Jumal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000 : 117 -134

Sistem NADHRS seperti ditunjukkan pada Gambar 3 merupakan model fungsional

yang sederhana dari RCCS5.6). Sebagai sumber panas (guard vessel) digunakan sebuah

silinder tembaga berdiameter 160 mm, panjang 450 mm. dan tebal 2 mm yang dipanasi

bagian bagian dalamnya dengan tiga buah pemanas (stainless steel sheet heater) masing-

masing berdiameter 1,6 mm dan panjang 3600 mm, dengan total input listrik 3x 100 Watt.

Silinder ini dilapisi isolator panas pada bagian bawah, dalam, dan bagian atasnya untuk

mengurangi kebocoran panas sehingga diharapkan hanya terjadi perpindahan panas mendatar

ke luar ke arah kanal pendinginan.

Pad a jarak 20 mm dari permukaan luarnya, silinder sumber panas dilingkungi oleh

dinding acrylic yang tembus pandang. Selanjutnya, jarak antara dua permukaan ini

diperhitungkan sebagai lebar celah (gap) kanal pendinginan. Dinding acrylic ini memanjang ke

bawah sepanjang 600 mm dimana bagian ujung bawahnya membentuk bagian masukan dan

plenum-bawah. Ruang kosong selebar celah dan berbentuk annular antara permukaan luar

silinder dengan permukaan dalam dinding acrylic bertindak sebagai kanal pendinginan (cooling

channel) yang berfungsi sebagai jalur pendinginan. Pad a bagian masukan dipasang papan

penyumbat aliran sehingga membentuk penampang masukan (A). Posisi sumbatan berskala ini

dapat diubah-ubah sedemikian rupa sehingga luas penampang masukan berubah relatif

terhadap luas penampang pads kanal pendinginan (Ao). Nilai awal (A/Ao) adalah 1,50.

Satuan : mm

120



Oi atas silinder dan kanal pendinginan terpasang plenum-atas berbentuk annular dari

triplek ketebalan 10 mm, diameter 400 mm, dan tinggi 90 mm, serta berdinding luar dari

acrylic. Pada sisi atas plenum-atas terdapat dua buah lubang berdiameter 100 mm sebagai

pintu masuk bagi dua buah stack dari bahan acrylic yang berdiri tegak menjulang ke atas

setinggi 1030 mm.

Untuk tujuan merubah hambatan keluaran, luas penampang keluaran stack (Ae) dapat

dipersempit dengan memasang sumbatan berlobang di bagian tengahnya dengan diameter

tertentu sedemikian rupa sehingga Ae berubah relatif terhadap Ao. Pad a kondisi awal, nilai

(AJAo) adalah 1,23 yang memberikan harga hambatan keluaran (Ke=1, 1 0).

III. PENOEKATAN TEORITIS TERHAOAP MEKANISME KONVEKSI ALAMI UOARA 01

OALAM SISTEM NAOHRS

Pada sistem konveksi alami seperti NADHRS, suhu udara di dalam kanal pendinginan

akan meningkat bila input listrik (panas) dialirkan ke dalam silinder tembaga. Meningkatnya

suhu udara ini akan menurunkan densitasnya sehingga terjadi bed a tekanan antara udara di

setiap titik pada ketinggian yang sarna di dalam dan di luar sistem sehingga di dalam sistem

timbul gaya apung (buoyancy force). Gaya apung yang juga diperkuat oleh efek stack pad a

bagian atas sistem ini akan mengangkat massa udara ke atas meninggalkan kanal pendinginan

dan bergerak ke luar sistem. Sebagai akibatnya, pada saat yang sarna pada bagian masukan

akan timbul pumping power yang menghisap masuk massa udara luar ke dalam sistem.

Sebaliknya, berbagai perubahan bentuk penampang aliran, karakteristik permukaan kanal,

maupun sumbatan penampang aliran akan menimbulkan hambatan aliran dan penurunan

tekanan. Aliran udara masuk ke sistem akan terjadi bila gaya apung dapat mengatasi hambatan

aliran sepanjang kanal, atau tenaga dorong gaya apung (buoyancy driving head) harus dapat

mengatasi total penurunan tekanan (pressure losses) di dalam sistem agar terjadi aliran masuk

massa udara ke dalam sistem.

Pada bagian berikut akan dikembangkan sebuah pendekatan teoritis untuk

menjelaskan proses timbulnya gaya apung dan penurunan tekanan di dalam sistem.

Selanjutnya berdasarkan pendekatan tersebut akan dilakukan prakiraan besarnya perubahan

hambatan aliran dan perubahan laju alir massa udara di dalam sistem NADHRS sebagai akibat

terjadinya sumbatan pada penampang aliran.

III. 1. Distribusi Suhu Udara di Dalam Kanal Pendinginan

Pada Gambar 4 ditunjukkan proses pemanasan udara di dalam kanal pendinginan

dengan panjang H (m). Dengan menganggap bahwa udara secara termal merupakan gas ideal

(a thermally perfect gas), maka pada kondisi ini berlaku persamaan berikut.7)

p = p/RT = 353,12fT (01 )

121

Jumal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 2. No.3 September 2000 : 117 -134

Berturut-turut p adalah densitas udara (kg/m3), p adalah tekanan udara (N/m1, T adalah suhu

absolut (oK), R adalah konstanta gas universal (N M/ kg. oK).

Selanjutnya, bila dianggap tidak terjadi perubahan tekanan di dalam kana! pendingin,

maka berlaku persamaan berikut.

Po T 0 = P1 T 1 = P2 T 2 = P T

Untuk satuan panjang

berikut.

z (m), maka rapat daya panas liniernya, q'(z) dinyatakan sebagai

q' (z) = qo Cos (7t/H) z

dimana qo adalah fluk panas (W/m3). Selanjutnya, input panas Q diasumsikan dikenakan secara

merata sepanjang kana! pendinginan sehingga diperoleh distribusi suhu yang uniform yang

dapat dinyatakan sebagai berikut.

ql(Z)=g ZH

Selanjutnya, bila Ao (m1 dan Vo (m/detik) masing-masing adalah penampang aliran dan

kecepatan aliran udara masuk kanal pendinginan, To adalah suhu mutlak (oK), Cp adalah

kapasitas panas udara (kJ/kg oK) yang berharga 1,0057 kJ/kg oK pada 300 oK, maka kenaikan

suhu (~Tb) pada ketinggian z (m) dinyatakan sebagai berikut.

dimana

Sedangkan suhu bulk (Tb) pada ketinggian z (m) dinyatakan sebagai berikut.

Tb = To + LlTb

122



Ao, To, PO, PO, Cp

Gambar 4. Pemanasan Udara di Dalam Kanal Pendinginan

III. 2. Perhitungan Gaya Apung Udara OJ Oalam Sistem

111.2.1. Gaya Apung Udara di Dalam Kanal Pendinginan

Sebagai akibat pemanasan udara di dalam kanal pendinginan. maka akan terjadi

penurunan densitas udara yang pada akhirnya menimbulkan gaya apung (Zp). Besarnya gaya

apung L\Zp(z) yang bekerja di dalam kanal pendinginan sepanjang ~z dapat diturunkan dari

Persamaan (02) sebagai berikut:

To

T(z)p(z) = (07)Po

To(08)= Po 9 (1 --) Llz

aTo+ -z

Vo

123

To(Po- ~ Po) 9 LlZ

Jumal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000.. 117 -134

Integrasi Persamaan ( 08 ) akan diperoleh keseluruhan gaya apung yang bekerja di sepanjang

kana! pendingin (Zp).

HJ 1 dzH- -az

°1+-VoTo

Bila suku

Maka Persamaan (09) dapat ditulis sebagai berikut.

H*H

Po 9 (H-H*)= Po 9 H (1-Zp=

Selanjutnya, besarnya gaya apung sebagai fungsi laju alir massa udara yang masuk ke

kanal pendinginan dapat dinyatakan sebagai berikut.

Zp= Po 9 HQ

moC pTo-

111.2. 2. Gaya Apung Udara di Bagian Stack

Bila suhu udara masuk ke stack adalah T H (oK) dan massa jenisnya PH (kg/m3) maka

besarnya gaya apung (Zs) di bagian stack dengan panjang L (m) dapat dinyatakan sebagai

berikut.

l-E!!-Po

Zs= (po -PH) 9 L = Po9 L

Mempertimbangkan Persamaan (02) tentang sifat gas ideal maka Persamaan (13) dapat ditulis

sebagai berikut.

(14)1--PoQ L PoQ LZs= =To

)TH

124

Prakiraan Laju Alir Massa pads Model FungsionalSistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR


Selanjutnya, gaya apung di bagian stack sebagai fungsi laju alir massa udara masuk ke kana I

pendingin (mo) dinyatakan sebagai:

~

Zs= Po9 L Po9 LI (15)To

)r;; 1+-2--moC pro

III. 2. 3. Total Gaya Apung Udara di Dalam Sistem

Gaya apung di dalam sistem merupakan gabungan dari gaya apung di dalam kanal

pendinginan dan di bagian stack, yaitu:

z = Zp + Zs

Jj+ Po 9 L=PoQH

+ -_JLmoC pTo

+--~moC pro

Bila selanjutnya didefinisikan parameter baru berikut,

aHTo

Q =bCppoAoTo

maka

Po 9 H [ 1 -

t~l+z= PogL+b

Vn

Selanjutnya, digunakan parameter baru yang disebut sebagai angka pemanasan (heating

number, He) dan intensitas pemanasan (heating intensity, HJ yang masing-masing dinyatakan

sebagai berikut.

bH =-=e V"

QC pPoAoToVo

Qm"

Hi = yr.-Q

atau

(21 )H -I

.=~H,

125


Dalam hal ini, intensitas pemanasan menunjukkan jumlah panas yang diserap oleh per satuan

massa udara yang mengalir di dalam kanal pendinginan. Sedangkan angka pemanasan

menunjukkan perbandingan jumlah panas yang diserap oleh per satuan massa udara terhadap

entalphi stagnasi awalnya.

111.3. Penurunan Tekanan Udara di Dalam Sistem

Pemahaman terhadap perubahan tekanan sepanjang sistem merupakan faktor yang

sangat penting yang mendasari perhitungan laju alir massa udara. Penurunan tekanan ini

antara lain disebabkan oleh perubahan kecepatan akibat perubahan penampang aliran serta

akibat kenaikan suhu akibat gesekan dan pemanasan. Gambar 5 mendeskripsikan kondisi

aliran udara di dalam kanal pendinginan NADHRS sebagai sebuah pipa sepanjang L (m)

dengan penampang aliran A (m1, yang dipanasi dengan fluk panas Q (W/m3) , panjang basah

Pf (m), koefisien turun tekanan karena perubahan penampang K, dan koefisien gesekan

permukaan (friction loss) f.

L

PITIKI

PI

PzTzKz

pz

Pr

Gambar 5. Aliran Udara di Dalam Kanal yang Dipanasi Beserta Parameter Terkait.

Dengan memandang aliran udara di dalam sistem NADHRS sebagai aliran dengan angka Mach

rendah maka besarnya penurunan tekanan stat is (Ps) dapat dinyatakan dengan persamaan

berikut.8)

\

+2( L

~

--1

(22)

111.3.1. Penurunan Tekanan Udara di Bagian Kanal Pendinginan

Seperti ditunjukkan pada Gambar 3, bagian masukan kanal pendinginan berada di

dalam sistem, dan berada pada suatu ketinggian di atas bagian masukan sistem. Pada item

111.2.1 telah digunakan index 0 untuk parameter aliran udara di bagian masukan kanal

126



pendinginan. yaitu A01 Too Vo. dan mo- Dengan menerapkan Persamaan (22) untuk kondisi

bagian masukan kanal pendinginan maka besarnya penurunan tekanan udara sepanjang kanal

pendinginan dapat dinyatakan sebagai berikut.

Ks1 +1¥1OPP=~ ( -. )2po m

Ao

T ( T2 1--'-+2 --1

~ T1[Bila udara dianggap sebagai gas ideal maka RT 0 = pJp1 sehingga berlaku persamaan berikut.

2RT (m J 2

2P:- A:-

= 0,5 Po Vo 2= ~( ~Po Ao

Mempertimbangkan bentuk dari kanal pendinginan yang annular dengan diameter dinding

luar O2 dan diameter din ding dalam 01 maka berlaku persamaan berikut untuk koefisien

gesekan aliran sepanjang kanal pendinginan.

f [!.!!!-.AD

=

Selanjutnya dari Persamaan (4) diperoleh persamaan-persamaan berikut.

aTH =To +-H

Vo

aH

VA To

~=l+To

T aH~=1+0,5nToo0

Bila keseluruhan koefisien turun tekanan sepanjang bagian masukan dinyatakan sebagai

Ki~r' dan koefisien turun tekanan karena perubahan penampang aliran menuju ke plenum alas

dinyatakan sebagai Ks. maka dengan memasukkan Persamaan (24) sampai (29) ke

Persamaan (23) akan diperoleh persamaan berikut untuk penurunan tekanan di dalam kanal

pendinginan.

+2{(

aH )+-VtJTtJ

+ 0,5 ~)VaTu

+KS(aH

VoTo,

-1oP p = O,5poVo +

127


O,5aH

VoTo ,

+

111.3. 2. Penurunan Tekanan Udara di Bagian Stack

Penurunan tekanan di bagian stack terjadi karena perubahan penampang aliran masuk

ke stack ( K les ), karena sifat permukaan bahan stack

:1

s ), dan karena perubahan penampang

aliran keluar meninggalkan stack (Ke Persamaan (21) tetap berlaku di sini, dengan

disesuaikan kondisi setempat, yaitu A, = As I T = T, = T2 = T H dan dianggap uniform.

Dengan menganggap aliran masuk ke stack adalah aliran mantab (steady state) maka

besarnya laju alir massa udara m = AoVop" = A.,Vsp., sehingga diperoleh persamaan untuk

penurunan tekanan di bagian stack sebagai berikut.

r

PfSL

As

RTs ms8Ps = -=-- fS+Ke+K /.'

2

=O,5Po(~) (vo2+~Vo)(%fs+Ke+KiS)

111.3. 3. Penurunan Tekanan Udara di Bagian Masukan

Dalam kaitan ini, yang dimaksud bagian masukan adalah bagian sistem mulai dari

penampang masukan yang berhubungan dengan udara luar sampai pada pintu masuk kanal

pendinginan. Penurunan tekanan pada bagian masukan ini utamanya terjadi karena perubahan

penampang aliran masuk ke sistem (K i '), gesekan permukaan bahan plenum bawah

(/' ) sepanjang H' dan karena perubahan penampang aliran masuk ke kanal pendingin-

an (K $ , ). Dengan menerapkan Persamaan (22) pada kondisi bagian masukan akan diperoleh

persamaan berikut untuk penurunan tekanan di bagian masukan.

2 2

RTo RTo8Pd = :.-1

"1-

Ks'+-:-- +--

m

Ad)

Suku pertama dari Persamaan (32) adalah turun tekanan menuju kanal pendinginan yang

timbul akibat percepatan aliran masuk ke kana! pendinginan. Suku ke dua adalah turun tekanan

128

RTo ( m )K2po lA; I

Prakiraan Laju Alir Massa pede Model FungsionalSistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR


di tern pat yang sarna yang tirnbul akibat perubahan penarnpang aliran pada kanal pendingin.

Suku ke tiga adalah turun tekanan di bagian plenum bawah. Suku terakhir adalah turun tekanan

yang diakibatkan oleh aliran rnasuk udara luar ke dalarn sistern NADHRS. Penyelesaian lebih

lanjut terhadap Persarnaan (32) akan diperoleh:

Ao AH'D'e

OPd= O,SPoVo2 (1 + Ks')+ O,SpoVo2 (4/') + I K 1

Ai

Bila digunakan koefisien efektif penurunan tekanan sepanjang bagian masukan sebagai

Kie! yang dinyatakan sebagai berikut.

2., ( )I Ao -H' I AoK;ef = l+Ks +(~) ~A.+ ~ K,

Maka besarnya penurunan tekanan sepanjang bagian masukan dapat dinyatakan sebagai

berikut.

III. 3. 4. Total Penurunan Tekanan Udara di Dalam Sistem

Total penurunan tekanan sepanjang sistem (oP) bisa diperoleh dengan menjumlahkan

penurunan tekanan di bagian masukan. kanal pendinginan, dan stack sehingga diperoleh

persamaan berikut.

oP =OPd + OPp + OPS

Is +Ke +K,

(t)'(

=O,5p Ki~f + Kp +

+K'or

+~(js)+KeJ +As

(aH

129

HDe" (j H

o,SPol-r:-,

Jumal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000 : 117 -134

IV. PERHITUNGAN LAJU ALIR MASSA UDARA

Kecepatan aliran udara masuk ke kanal pendinginan (Va) ditentukan dengan

menyamakan besarnya tenaga dorong gaya apung pada Persamaan (18) dengan besarnya

penurunan tekanan pada Persamaan (36) sebagai berikut.

z= oP

Po 9 to PogL+

~

1b ,',

+~..V-

Selanjutnya harga Vo ditentukan dengan cara iterasi di dalam komputer dengan menentukan

batas ketelitian.

Laju alir massa udara masuk ke kanal pendinginan (mo. kg/detik) ditentukan dengan

persamaan berikut.

mo = PoAoVo

dimana Po dihitung dengan Persamaan (01) pada suhu To.

V. PRAKIRAAN PERUBAHAN HAMBATAN ALl RAN DAN PERU BAHAN LAJU ALIR MASSA

UDARA AKIBAT SUMBATAN PENAMPANG ALiRAN

Pada bagian sebelumnya digunakan notasi K untuk menunjukkan koefisien turun

tekanan akibat perubahan penampang aliran. Dalam pengertian yang lebih umum, parameter K

ini juga dapat dipandang sebagai koefisien hambatan aliran. Dengan menggunakan Persamaan

(34) telah diperkirakan besarnya perubahan hambatan bagian masukan untuk berbagai tingkat

sumbatan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6. Tingkat sumbatan dinyatakan sebagai

perbandingan antara penampang masuk ke sistem terhadap penampang masuk kanal

pendinginan (A/Ao). Perubahan harga (A/Ao) dari 1,50 menjadi 0,05, atau peningkatan

sumbatan sebesar 96,67% dari kondisi awal telah meningkatkan harga efektif hambatan

masukan (~ef) dari 2,00 menjadi 1114,60. Dalam hal ini harga ~ef untuk berbagai bentuk

penampang aliran dihitung berdasarkan metode yang diperoleh dari Referensi 9. Analisis

130

[ ., ]aH H Ao .PjSL

O.Spo(- ) Kp +2+-(2fH)+ (- ] (KiS +-(4fS')+K. ) V~

To De As A.S'



terhadap Gambar 6 menunjukkan bahwa hambatan aliran pada bagian masukan meningkat

seiring dengan meningkatnya sumbatan penampang aliran. Selanjutnya, dengan bantuan

Persamaan (37) telah diperkirakan besarnya laju alir massa udara (mo) masuk ke kanal

pendinginan sistem NADHRS dengan input listrik 3x100 Watt, pada berbagai tingkat sumbatan

pada bagian masukan, dan pada tiga kondisi hambatan penampang keluaran stack (Ke), yaitu

RUN-1 untuk kondisi panampang keluaran stack tanpa sumbatan (Ke=1,10), RUN-2 untuk

kondisi penampang keluaran stack disumbat sebagian sehingga Ke=6,20, dan RUN-3 untuk

kondisi penampang keluaran stack disumbat sebagian sehingga Ke=15,00. Pada Tabel-1

disajikan harga beberapa parameter lain yang digunakan sebagai masukan untuk prakiraan

harga mo. Prakiraan harga mo diawali dengan proses iterasi untuk menghitung Vo dengan

ketelitian 0,001. Hasil prakiraan perubahan harga mo ditunjukkan pada Gambar 7 untuk

berbagai macam harga hambatan masukan (~er> dengan hambatan keluaran (Ke) sebagai

parameter.

1200

c:~ 1000~Inco

E 800c:

.!OJ

~ ~ 600c:~co~...-; 400c:Sco

E 200co

:I:

--Series 1

'"0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Tingkat sumbatan (A1/Ao)

0.4 0.5 0.75 1.5

Gambar 6. Pengaruh Sumbatan Terhadap Hambatan Aliran pada Bagian Masukan

131

Jumal Pengembangan Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000.. 117. 134

Tabel 1. Harga Beberapa Parameter yang Dipakai Sebagai Masukan Dalam Prakiraan HargaLaju Alir Massa Udara.

HargaNo Parameter (satuan) Simbol

RUN-!

0.300010.00000.00400.02580.65001.1000

293.2001.03000.1000

21.2933

RUN-2

0.3000] 0.00000.00400.02580.65006.2000

293.200].03000.]000

2] .2933

RUN-36T-I~~p_~~ (kW)

~

HLf~

0.3000] 0.00000.00400.02580.6500]5.000

293.100

~Panas

bocor keluar sistem (~}03 I Koefisien gesekan p~~ukaan stack04 I Koefis~~esekan permukaan kanal D~dlnginan05 _I~fisien turun tekanan di D~~ masuk stack06 I Koefisien turun tekanan di Dintu KeJUar stack-07 I SUhuud~luar (OK)

I

08

091.0300L~

N

Kp

0.10002

1.2933

WILumiah

slack (buah)11 Koefisien turun tekanan di pintu keluar kana!

pendi~~an

lLJ

Diameter silinder sumber p~s{m)!:?J~H

[II

0.16000.20000.40000.0261

0,]6000.20000.40000.026]

0.16000.20000.4000

13 I~~er dinding luar kana! pendingi~(!!!L

0.0261

16 Koefisien turun tekanan efektif sepanjang bagianmasukan

Kief Seperti disajikan pada Gambar 6

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

IV..IV

"C~IVU)U)IVE..~~'CU'-J

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Tingkat sumbatan (AlAo)

0.4

0.5 0.75 1.5

Gambar 7. pengaruh Sumbatan Masukan Terhadap Laju Alir Massa Udara(Hambatan Keluaran Sebagai Parameter)

132

~~41

'C"CI~

'b...

~


Priyanto Joyosukalto

Analisis terhadap Gambar 7 menunjukkan bahwa laju alir massa udara semakin

menurun seiring dengan meningkatnya sumbatan aliran pad a bagian masukan. Disamping itu,

laju alir massa udara juga menurun seiring dengan meningkatnya sumbatan pada bagian

keluaran (penampang keluaran stack). Peningkatan sumbatan penampang masukan sampai

96,67% kondisi awal telah meningkatkan besarnya harga-efektif hambatan masukan (Kied dari

2,00 sampai 1114,60. Selanjutnya, pada kondisi Ke=1,10 (RUN-1), Ke=6,20 (RUN-2), dan

Ke=15,00 (RUN-3), perubahan harga ~ef terse but telah menurunkan besarnya laju alir massa

udara berturut-turut dari 8,50x10-3 kg/detik ke 1 ,35x1 0-3 kg/detik, 7 ,29x1 0-3 kg/detik ke

1,35x10-3 kg/detik, dan 6,11x10-3 kg/detik ke 1,35x10-3 kg/detik. Kesamaan harga laju alir

massa udara pada harga ~ef = 1114,60 lebih disebabkan karena pada sa at penghitungan

harga Va digunakan batas ketelitian iterasi 0,001 dengan pertimbangan efisiensi dan tingkat

ketelitian hasil iterasi.

VI. KESIMPULAN

Telah dilakukan pengembangan pendekatan teoritis (analitis) terhadap mekanisme

konveksi alami udara di dalam sistem pendinginan yang diperkuat dengan efek stack, dengan

contoh sistem berupa peralatan ekperimen NADHRS yang merupakan model fungsional dari

RCCS MHTGR. Selanjutnya, persamaan-persamaan yang dihasilkan digunakan untuk

memperkirakan besarnya perubahan hambatan aliran dan laju alir massa udara pada sistem

tersebut pad a kondisi penampang aliran yang tersumbat (blockage).

Hasil prakiraan menunjukkan bahwa sembarang penyumbatan pada penampang

masukan dan, atau pada penampang keluaran akan meningkatkan hambatan aliran yang pada

akhirnya akan menurunkan laju alir massa udara yang masuk ke sistem. Pad a sistem

NADHRS, dengan input listrik sebesar 3 x 100 Watt, maka peningkatan sumbatan penampang

masukan sampai 96,67% kondisi awal telah meningkatkan besarnya harga-efektif hambatan

masukan (K1.f) dari 2,00 sampai 1114,60. Selanjutnya, pada kondisi K.=1, 10, K.=6,20, dan

K.=15,00 perubahan harga K;et terse but telah menurunkan besarnya laju alir massa udara

berturut-turut dari 8,50x10-3 kg/detik ke 1 ,35x1 0-3 kg/detik, 7 ,29x1 0-3 kg/detik ke 1 ,35x1 0-3

kg/detik, dan 6,11 x1 0-3 kg/detik ke 1 ,35x1 0-3 kg/detik

Dengan demikian kemungkinan meningkatnya hambatan aliran serta potensi risikonya

terhadap berkurangnya pasokan massa udara merupakan hal yang harus diperhitungkan

secara serius ke dalam desain sistem pendinginan dengan konveksi udara secara ala mi.

Pendekatan teoritis dalam studi ini, khususnya Persamaan (34) dan (37) dapat menjadi acuan

untuk maksud terse but sekaligus melengkapi literatur dalam bidang ini yang nampaknya masih

langka.

133

Jumal PengembanganEnergi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000: 117 -134

DAFTAR PUSTAKA

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

DILLING, D.A., et. al., Passive Decay and Residual Heat Removal in MHTGR, Work

Sponsored by the US DOE, under contract No. DE-AC03-89SF1788, Washington, 1990.

SHENOY, A., Modular Helium Reactor for non-electric Application, IAEA-Advisory Group

Meeting, Jakarta, 1995.

HILLS, R.P., Air Natural Circulation Decay Heat Removal for Small Gas-cooled Reactor,

Study Sponsored by the US DOE and Gas-cooled Reactor Associates, under contract no.

GCRA/BEC/81-202, Washington, 1990.

GENERAL ATOMIC TECHNOLOGY, Seminar on Modular High Temperature Gas-cooled

Reactor, Tokyo, October 30,1992.

JOYOSUKARTO, P., Fenomena Aliran Terbalik Pad a Sistem Pendinginan Udara Secara

Konveksi Alami, Seminar Keenam Teknologi dan Keselamatan PL TN serta Fasilitas Nuklir,

Jakarta, 10-11 Oktober 2000.

JOYOSUKARTO, P., Investigasi Eksperimental Terhadap Fenomena Aliran Terbalik Pada

Sistem Pendinginan Udara Secara Konveksi Alami, Seminar Reaktor Temperatur Tinggi Ke

V, Yogyakarta, 22 Nopember 2000.

FU, G. et. al., Heat Transfer and Friction Factor Behaviour in the Mixed Convection Regime

for Air Up-flow in a Heated Vertical Pipe, AIChE Heat Transfer Confrence, Minneapolis, MN,

Symp. Series 382, Vol. 87, pp. 326-335, 1993.

MELESE, G. and KATS, R., Thermal and Flow Design of Helium-Cooled Reactor, ANS,

Illinois, 1984.

IDELCHICK, I.E., Handbook of Hydraulic Resistance, Hemisphere Publishing Co., New

York, 1986.

9.

134

prakiraan laju alir massa pada model...

Documents